胶体纳米颗粒用于高级生物传感器

1、胶体纳米颗粒用于生物传感器 摘要 本文回顾了纳米颗粒生物传感器的发展历程，表面化学及生物传感机理，讨论了如何使该种技术应用于商业和临床。在材料方面本文提出了包括纳米颗粒的大规模生产在内的五个关键挑战；为了更广泛的应用还需要仿生学，计算机模拟，生物信息学等方面的发展。关键词 胶体纳米颗粒；生物传感器；量子点；贵金属纳米颗粒；1. 引言胶体纳米颗粒作为生物传感器有很多优点，简要说来有以下几点：因为具有表面等离子体共振效应，胶体纳米颗粒的发光强度大；胶体纳米颗粒可以修饰其他基团作为分子标签；能够动态地与环境互动；使用胶体纳米颗粒作为生物传感器可以省去洗涤的步骤，因此有望做到实时监测；可以定性或定量检

2、验目标分子。目前研究较多的胶体纳米颗粒有量子点和金纳米颗粒两种。量子点具有尺寸效应、粒径可调、单吸收、多发射、发射波长范围宽等特点，因此单一激发就能得到一系列发射波长不同、颜色各异的量子点荧光探针。此外，量子点还有光化学稳定性高、抗光漂白能力强、荧光不易淬灭等优良光学特性，因此成为生物学领域倍受关注的纳米荧光材料之一。在生物领域中，用作荧光标记探针是量子点最具发展前景的应用。在单颗粒水平下，量子点发出不连续的荧光，为了克服这个困难就要以核为中心，外围生长另一种材料的原子层，形成核壳结构的量子点。经过仔细设计包覆的量子点，其量子产率能达到90%1,2。图1.基于量子点和金纳米颗粒的生物传感器金纳

3、米颗粒具有非常高的消光系数(如13nm金纳米颗粒的消光系数高达2.7×108mol/(L·cm),比一般的染料分子高1000倍以上，根据郎伯-比尔定律可知，金纳米颗粒所能达到的检测限远低于染料分子。由于金纳米颗粒体系在不同状态下会有不同的颜色变化，因此金纳米颗粒在可视化检测中占有重要的地位。金纳米颗粒的可视化检测机理是: 单分散金纳米颗粒在溶液中呈现红色，当加入被检测物时，金纳米颗粒发生聚集，从而使颗粒间的等离子体耦合发生改变，吸收峰发生红移，溶液的颜色由红色变为紫色或蓝色。（见图1.）除了具有上述的光学特性外，金纳米颗粒表面易于进行化学修饰，这也为金纳米颗粒在分析检测中的

4、广泛应用提供了便捷条件。金纳米颗粒表面可以通过修饰小分子、蛋白质、多肽等实现对不同靶标物质（包括小分子、重金属离子、蛋白质、核酸、肿瘤细胞和病原体等）的特异性检测。基于金纳米颗粒的可视化检测方法不依赖任何大型仪器，仅从溶液颜色变化即可作为读出信号，信号检出速度较快，所需材料成本较为低廉，尤其适用于有快速检测、现场检测需求和条件相对落后不具备大型仪器的区域3。常用的分析检验方法如酶联免疫吸附试验 (ELISA)、聚合酶链式反应（PCR）、荧光原位杂交(FISH)等需要大量重复性劳动，同时因为有依赖于有机染料，不能进行持久的或多路复用的分析。改良以上方法有两条途径。一是纳米胶体颗粒用于微流控芯片取

5、代酶联免疫吸附试验(ELISA)，二是在聚合酶链式反应（PCR）和荧光原位杂交(FISH)中以纳米胶体颗粒取代荧光染料或蛋白质，以此强化现有技术。纳米胶体颗粒在生物传感器方面的应用近年来得到了很大发展，但仍有许多障碍需要跨越，例如检测结果的可重复性、复杂生物环境下性能的优化、未纯化的液体如血液和尿液中与各种物质的相互作用。2. 纳米颗粒的核2.1改进量子点传统量子点的组成如下：族-族，如BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe。或族-族，如GaAs, InP, InAs。最常用的CdS, CdSe, CdTe有较大的生物毒性，为了取代这

6、些重金属，人们开发了Si, C, Sn,合金及共轭聚合物的量子点。碳作为一切生物有机体的骨架元素，相对于其他元素构成的荧光纳米材料，碳点的毒性低且具有良好的生物相容性，碳点表面含有大量功能基团，便于有机、无机高分子、聚合物以及生物活性物质的修饰。碳点在紫外区域光谱吸收较强，吸收峰可延伸至可见光区，如经微波/超声、电化学氧化、激光刻蚀等方法制备的碳点，其吸收峰在250-320nm之间，经修饰后波长会相应增加。例如：Liu 等用甘油作为碳源，TTDDA作表面钝化剂，用微波法一步制备表面钝化的碳点。将其与人肝癌细胞系 HepG-2共同培养，在450nm、488nm和543nm激发波长下分别发出蓝色、

7、绿色和红色的明亮荧光4 。以荧光共轭聚合物制备的纳米颗粒可以附着在蛋白质上而不产生毒性，这些有机半导体聚合物纳米球（SPNs）可用于对细菌进行、DNA检测、生物成像等方面。Philip等用溶剂蒸发法制备了PPE、MEH-PPV、BEHP-PPV和 PF四种半导体聚合物纳米球。MEH-PPV半导体聚合物纳米球能很好的附着在活的海拉细胞（子宫颈癌传代细胞）表面5。2.2上转换发光材料光致发光材料中,先吸收长波然后辐射出短波的材料称为上转换材料,这种材料的上转换现象是反Stockes效应的,即辐射的能量大于所吸收的能量。上转换材料主要是掺稀土元素的固体化合物,利用稀土元素的亚稳态能级特性,可以吸收多

8、个低能量的长波辐射,经多光子加和后发出高能的短波辐射,从而可使人眼看不见的红外光变为可见光。上转换发光材料在肿瘤的多模式影像诊断和高效治疗中的应用基础研究倍受关注，因其用于激发的近红外光源具有较大的光穿透深度，无生物组织自荧光，对生物组织几乎无损伤。6,7关于上转换发光材料，目前的着眼点是提高发光亮度和改进表面化学。 2.3贵金属纳米颗粒贵金属的形状和大小不同造成发光现象不同，例如小于2nm的贵金属（Au、Ag、Pt）颗粒的在紫外、可见、近红外都存在荧光带。与量子点相比，贵金属纳米颗粒的生物相容性好，荧光强度大，光稳定性好，发光寿命长。因为贵金属纳米颗粒的尺寸小，低于5.5nm的肾清除限制，这

9、一特性可能用于严重代谢疾病的实时监测。当贵金属纳米颗粒的直径高于2nm时，存在局域表面等离子体共振现象(LSPR：mcalized Surface Plasmon Resonance)。简单来讲，当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属岛传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振。金、银、铂等贵金属纳米粒子在紫外可见光波段展现出很强的光谱吸收，从而可以获得局域表面等离子体共振光谱。该吸收光谱峰值处的吸收波长取决于该材料的微观结构特性，例如组成、 形状、结构、尺寸、 局域传导率。因此，获得局域

10、表面等离子体共振光谱,并对其进行分析，就可以研究纳米粒子的微观组成。同时，LSPR吸收谱还对周围介质极其敏感，因此可以作为基于光学信号的化学传感器和生物传感器。贵金属纳米颗粒的研究焦点集中于新的合成路线和通过改变纳米颗粒的大小调整发射峰位置这两个方面。2.4 纳米颗粒的制备纳米颗粒的性质受合成路径的影响，因为其性质对大小、形状、晶体结构及缺陷、掺杂、表面形貌和电荷、稳定剂的浓度等因素均十分敏感，此性质有利于调控的同时也造成了重现性差。合成纳米颗粒最常用的方法是溶液合成法，既由前体中的配体形成高质量的纳米晶，可以对形状、大小进行调控。关键点是：搅拌速度、容器形态、前体注入的位置。有望解决批次与批

11、次之间性能差别的问题的途径有微管连续流系统、实时监测技术、微流体合成平台等。2.4.1微反应器连续流系统传统合反应在烧瓶等容器中进行,这种间歇式操作方法不但存在受热不均匀、反应时间长、合成效率低等缺点，而且放大合成需要经过复杂的中试和工艺参数的优化。而微反应器在连续生产、温度控制、放大合成以及安全性能等方面明显优越于常规反应器,近年来，微管连续流反应器已经越来越广泛地用于有机和医药中间体的合成、精细化学品生产、催化剂性能测试以及反应机理研究中。利用微管连续流反应器能高效、规模化合成纳米颗粒8。Emory等9用高通量批量反应阵列合成平均粒径变差系数为0.2%的CdSe胶体纳米颗粒，利用衍射和光学

12、表征将多维参数空间映射到调节CdSe胶体纳米颗粒尺寸与分散性的方法上，实现其发光效率最大化。并将这方法运用于制备稀土掺杂的NaYF4晶体，控制其晶相，使其上转换荧光最大化。实验装置是基于Symyx公司（赛美公司）的核心技术模块的自动化纳米材料制备与分析工作站（WANDA），该工作站已自动控制液体的机器人技术模仿传统的合成方法，例如等分采样和将有机金属试剂注射入热的表面活性剂溶液中等操作。（见图2.）工作站包括分配表面活性剂用的热针、操纵固态物质的夹钳、记录样品质量的电子天平以及自制的具有数字调谐的磁力搅拌加热装置的低热量传质反应器，反应溶液盛装在独立的40mL玻璃罐中以避免交叉污染。WANDA

13、具有灵活性，可以制备球形、棒状、纳米线等形态的半导体、金属、氧化物、掺杂的纳米颗粒，用户友好的大通量的WANDA将有利于制备质量稳定的纳米材料，促进纳米材料投入应用。图2.自动化纳米材料制备与分析工作站（WANDA）2.4.2 实时监测技术化学合成成分实时监测方法是一种新型化学过程分析技术,而传统实时监测技术主要是对反应过程中的某些宏观指标如温度、压力和流量等参数进行监控。实时监测技术是采用能对化学过程的宏观参数和/或微观变量进行实时动态监测的分析方法和通讯系统,以保证对化学反应实施有效的监控和调整。实时监测技术有以下优点：它能对反应进程和终点进行合理调控与确认,从而有效提高反应的选择性、反应

14、物的转化率、产物的质量和收率,降低副反应和生成副产物的可能性,以达到定量合成目标产物的目的。利用它还可以从微观上探索发生化学反应的机理和动力学。实时监测化学合成成分装置的基本结构包括:化学反应系统;电源系统、激发(光)源与辅助设备(如真空和温度控制装置);采样器(或传感器);样品室(池);分离分析系统(检测器);信号采集与加工处理(转换)系统;结果记录与显示系统;中央控制(计算机)与数据传输系统等。实时监测化学合成成分装置的工作原理概括为以下几步：（1）在一个化学反应系统中,检测单元通过对化学反应系统物质间相互作用所产生信息的实时采集和检测,（2）通过输入/输出单元,将待测物质的理化特征参数等

15、非电物理量输出信号模拟转换成电信号传输到计算机,将模拟信号转换成数字信号,（3）和预先设置的参比值进行对比和判断,以确定待测物质的组成、浓度、含量、纯度或揭示物质结构的动态变化规律,从而实现对特定化学成分的自动跟踪和控制。实现对化学合成成分的实时监控需要解决以下问题：首先是对反应物、中间体或产物本身的研究；其次还必须解决样品的采集、进样以及单元仪器间的各种接口问题,特别是在色谱-光谱联用系统中更是如此;还有样品或反应液对采样器或检测窗口的污染问题;同时,对输入/输出的信号进行高速数据处理和传输也是十分关键的问题。目前,在化学合成成分的实时监测中使用最普遍的是光谱法、色谱法以及色谱-光谱联用技术

16、等。102.4.3 微流体合成平台 微反应器(microreactor)一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统, 微反应器内微通道尺寸在毫米量级以下, 一般在10300 m， 利用微反应器进行的化学合成我们称之为微流控合成。通过微流控技术实现的微混合过程体现出如下的优点：减小试剂用量，更加优良的热和物质传导交换，能够有效实现对空气和湿度敏感的化学反应，较安全地合成危险化合物。这些优点也激发了微纳米粒子合成界的浓厚兴趣，已经有许多微纳米粒子的合成工作在微混合过程的基础上展开。例如，已经发现，在微混合器中，反应物在低雷诺数下的连续流中混合，反应驻留时间、温度、试剂浓度的变化都能影响粒子

17、的平均大小，减小驻留时间和精确控制化学反应状态可减小径粒的分布；对于不同物质之间的化学反应与粒子形成过程，微通道的较大比表面积能够更有效地控制生成粒子的形状、晶体结构，也可在多通道流操纵下对形成粒子做出进一步的表面修饰。因此，以更精确的微流控方式调节混合/合成反应参数，可以制备出不同形状、粒径以及粒径分布的微纳米粒子甚至各向异性的纳米材料。11,12,13图3.微流控芯片制有机纳米颗粒如图3.所示,以迅速的混合生成有机物纳米颗粒，图中红色代表有机流，蓝色代表水流，粉色和深蓝色代表混合程度。PEG为聚乙二醇，PLGA为乳酸-羟基乙酸共聚物14。2.5纳米颗粒的生长机理纳米颗粒确切的的生长机理有待

18、阐明，包括非典型生长（聚集、聚结）中颗粒间的相互作用，稳定剂（capping ligands）浓度对生长曲线的影响等。可用于生长机理探测的技术有原位XRD、电子能量损失谱(EELS)、能量色散谱（EDS）、计算机模拟与密度泛函数理论（DFT）。利用电子能量过滤成像系统,从电子能量损失谱(EELS)不但可以得到样品的化学成分、电子结构、化学成键等信息,还可以对各部位选择成像，可提供样品中的元素分布图。能量色散谱（EDS）可以与EPMA，SEM，TEM等组合，其中SEMEDS组合是应用最广的显微分析仪器，EDS的发展，几乎成为SEM的标配。将电子束（探针）固定在试样感兴趣的点上，进行定性或定量分析

19、。3. 纳米颗粒表面在化学还原法制备金属纳米粒子过程中，为了更好地控制粒子大小、尺寸分布、形貌、溶解性以及稳定性，通常会涉及修饰剂(稳定剂或包覆剂)。常用的有硫醇、胺类、膦、各种聚合物、表面活性剂、天然大分子(如壳聚糖、DCF 分子、蛋白质等)，以及无机类聚合物如由硅酸酯或钛酸酯的醇解和缩聚产生的SiO2或TiO2等。修饰剂的作用机制可以分为3类:（1）配位键，如硫醇、膦、羧酸、胺等化合物及其衍生物可以通过官能团上某个原子的孤对电子与纳米颗粒表面金属原子之间的配位(向金属原子提供电子对形成共价键) 。(2) 离子键，阴离子型表面活性剂、阳离子型聚合电解质等与金属纳米颗粒表面吸附的阴、阳离子形成

20、离子对从而通过静电吸引钝化金属颗粒表面的活泼原子。（3) 空间效应，聚合物、非离子型表面活性剂、硅胶等通过包覆金属纳米颗粒而起到修饰作用。通常某种试剂的稳定作用是多种因素共同作用的结果。纳米颗粒的表面稳定剂作为屏障增强纳米颗粒的稳定性，例如巯基丙氨酸稳定的银纳米颗粒的的可逆团聚。例如Mandal 15等合成了巯基丙氨酸稳定的银纳米颗粒，他们认为巯基丙氨酸通过巯基上的S与金属颗粒表面原子的化学键合,以巯基丙氨酸中羧基之间的静电作用来稳定纳米颗粒。经过一段时间的陈化以后，相邻颗粒上氨基酸分子之间的氢键作用使得银纳米颗粒发生可逆团聚而形成交联的纳米颗粒，加热到60又会使交联的银纳米颗粒重新分散于水中

21、(见图 4.)图4.巯基丙氨酸稳定的银纳米颗粒的可逆团聚与分散许多情况下，稳定剂层的相互作用（通常由距离决定）决定信号的产出，稳定剂层的厚度很重要，一般情况下稳定剂层越薄信号越强。常见的作用机理为能量共振转移（RET）和局域表面等离子体共振（LSPR）场干扰。目前最成功的方法是小分子模块化组合形成纳米颗粒的表面。两性离子通过静电力和氢键连上许多水分子，形成一个“冕”来保护纳米颗粒。因为其静电荷为零，所以能免受环境的干扰。配基可以设计成连接硫醇等表面成键基团。Kimihiro16等将配体连上二齿二氢硫辛酸（DHLA）锚定基团，使其对羟基和羧基具有高亲和性，制得了加强型生物相容性的半导体量子点和金

22、纳米颗粒，能长时间耐受很宽的pH范围和高盐浓度，通过显微注射进入细胞后，表现出高摄取率、高稳定性和低细胞毒性。高分子稳定基层的优点是有许多表面积，并且数量和位置均是可控的，但是目前因为分子量大难以获得紧密的颗粒，常以咪唑作为协调剂。两亲聚合物可以在包覆量子点之前或之后进行官能化。预包覆步骤包括功能聚合物的聚合或后聚合修饰。已通过电泳分离证实原则上聚合物包覆层的官能团数目可以控制到单个官能团。包覆常使用PEG，这不仅提高了在溶液中的量子点的稳定性，同时也减少了与细胞膜的量子点的非特异性相互作用。聚酐及其共聚物是给有机分子修饰上亲核基团的通用方法，通过此方法将氮杂环、半乳糖皮蒽、聚乙二醇、聚异丙基

23、丙烯酰胺等修饰上二甲氨基丙胺，经其包覆的纳米颗粒在中性pH环境下带有正电荷，这种两性离子的包覆层能够与siRNA偶联并被递送至细胞内部。高分子包覆量子点的表面上的官能团数量的控制相对研究较少，目前的方法被主要基于纯化步骤（因此产率低）。多官能团的空间分布亦是我们没有解决的知识。在不久的将来这种材料将进行定量生物学实验，这将有助于了解聚合物外壳和量子点之间的电子相互作用。有两个现象值得注意：一是带电荷的纳米颗粒吸收大量离子，将改变环境的电荷分布、pH升降率，影响生物分子的组成和构型。二是因为纳米颗粒的大小、形状、作用力与蛋白质相近，两者之间容易发生强烈的相互作用。4. 生物传感作用机理纳米颗粒的

24、生物传感作用机理有三个关键点：生物分子的偶联、信号分子和信号接收装置。4.1 生物分子与传感器的连接生物分子与识别原件-纳米颗粒的共价连接需要经过多次洗涤、纯化等步骤，容易打破胶体。纳米颗粒之间、生物大分子之间的不规则连接是亟待解决的问题，传统的连接方式无法控制缀合物数目。理想的偶联是简单。高产、无需中间试剂，“随插即用”的方法。新兴的选择性缀合技术有点击化学、应变诱导的环加成、酶介导连接等（图5.）。图5.生物分子与传感器的连接点击化学主旨是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成化学合成。其实质是指选用易得原料,通过可靠、高效而又具选择性的化学反应来实现碳杂原子连接(CXC),低成本、快速合成大

25、量新化合物的一套强大且实用的合成方法。点击化学的代表反应为铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应。叠氮基团和炔烃基团几乎不与生物分子反应，而且可以容易地被引入到化合物中，点击反应可以在水溶液介质中进行，点击反应后生成的氮杂唑基团具有芳香环的稳定性,不易分解,可耐受强酸、强碱,并能在多种氧化还原条件下保持稳定.因此这种反应可以用来修饰生物分子。17Monika18等通过点击化学反应将修饰了叠氮的金纳米颗粒链式装配至连接炔基的人造DNA模板。除了生物偶联方面的意义之外，通过这种方法，可以以DNA为模板，密集而规则的一维纳米金结构，也就是说将金属团簇共价固定在一个高度可编程的模板上，应用于新型纳

26、米级的电路元件，开发前景广阔。4.2 信号模式荧光共振转移（RET）现象需要两个不同荧光基团，其中Donor的发射光谱与Acceptor的吸收光谱有一定重叠，当两者距离合适，一般需要小于10nm，以Donor的激发波长照射，可以发现Acceptor的发光。荧光共振转移包括Förster荧光共振转移（FRET）、生物荧光共振转移（BRET）、化学荧光共振转移（CRET）。许多分子能发生荧光共振转移，如荧光有机染料、稀土配合物、发光蛋白质、石墨烯、酶、金纳米颗粒等无机材料。荧光共振转移的关键点是Donor与Acceptor要在一起。电荷的转移扰动核的状态，亦会使荧光增强或猝灭。等离子激元

27、纳米颗粒作为信号传感器有三种相应方式：（1）分析物的加入造成纳米颗粒的连接、聚集或解聚，使局域表面等离子体共振（LSPR）峰转移。（2）因为连上第二个试剂或者其他试剂离开而增强拉曼散射（SERS）。（3）等离子激元纳米颗粒使邻近的荧光增强或猝灭。4.3 分析物-接收器的相互作用酶-底物连接的例子是用短蛋白酶选择性肽链拴在荧光纳米颗粒上，形成荧光共振转移活性分子对，肽链被蛋白酶裂解使纳米颗粒的发光发生变化，此外酶也能改变纳米颗粒的聚集态。抗原-抗体检测通常形成紧密的“免疫三明治”结构，其检测限（LOD）低，对贵金属纳米颗粒也能够诱发局域表面等离子体共振（LSPR）峰转移或增强拉曼散射（SERS）

28、。核酸相互作用有望用以改进聚合酶链式反应（PCR）。氧化还原反应能用以测量pH值、多巴胺含量等（图6.）。图6.分析物-接收器的相互作用5. 走向应用代替酶联免疫吸附试验 (ELISA)、聚合酶链式反应（PCR）、荧光原位杂交(FISH)等需要大量重复性劳动的常用检测方法是胶体纳米颗粒生物传感器最容易设想的用途。此外，我们了解生物体最终目的是疾病的诊断和治疗，要求灵敏、可靠、重现性好、稳定性强的传感器。细胞内的细胞质或细胞内液是最好的检测目标。胶体纳米颗粒通过胞吞作用进入活细胞，被一层细胞壁包覆，为了打破细胞壁使其与细胞内液接触需要穿透这侧细胞膜，传统的方式是显微注射和电穿孔，显而易见会损伤细

29、胞活性。最新的进展是将胶体纳米颗粒传感器与细胞穿透肽（CPPs）连接，开发锁钥式的反应。基于纳米颗粒的药物递送系统已被开发，以提高疗效和减少药物的全身毒性。虽然人们认可的纳米粒子存在减少药物毒性的价值，但是未能很好地转化临床应用，这导致了“多路复用”纳米颗粒的发展。例如提高纳米颗粒显影方面的附加的功能，如定位和提升图像对比度。然而，更多的功能意味着更多的合成步骤和成本，更复杂行为和体内的影响，功能性和复杂性的的权衡一直是争论的焦点19。胶体纳米颗粒生物传感器的中长期目标是进行体外临床诊断,亟待解决的问题是检验结果的可重现性。初步的探索如Eleonora20等设计了使用智能手机和量子点多路复用均

30、质阵列检测蛋白水解活性的方法。将荧光摄入智能手机进行分析，其结构与荧光分析仪得出的结果高度相似。鉴于智能手机的普及，这项工作在很大程度上消除了任何仪器采用量子点作为生物分析的阻碍。胶体纳米颗粒生物传感器的长期目标是活体临床传感。要实现“导通”体内生物传感器，例如与癌细胞特异性结合，需要不开免疫系统的清除，消除长、短期毒性增强组织穿透性、改进吸收性能、自体荧光等。甲基汞正离子具有极强的脂溶性，会积聚在人体组织里，对胎儿的神经系统和产生破坏。Yi21等使用以疏水的长烷基和两亲PEG的修饰的七甲川菁染料(hCy7)与基于稀土纳米晶的上转换荧光探针连接，制成hCy7-UCNPs。使用转换发光比例作为检

31、测信号，并且提供了一个内置校正以消除环境的影响，这种纳米体系对甲基汞正离子的检测极限低至0.18 ppb。重要的是，该hCy7-UCNPs纳米体系能够以上转换发光生物成像监视的甲基汞正离子吸收和排出。6. 展望6.1 材料科学材料科学的五个前沿领域将从根本上改变纳米颗粒生物传感器的发展和技术转换：(1)毒性小、光学性质好的纳米颗粒核。有潜力的材料有：无重金属的合金量子点、碳量子点、以纳米晶簇代替铬量子点等。(2)标准化产品。投入大规模生产要求标准化的产品，所有反应参数都应被精确控制，如连续流装置内的分析与反馈机制、微流体系统的优化和发现等。(3)紧凑的稳定剂层。例如模块化小分子或聚合物配体、两

32、性离子等。(4)生物耦联的选择性。要更好的控制生物偶联的数量和方向，做到高选择性、高效率。(5)强RET试剂，用以代替有机染料的物质可能是石墨烯、贵金属纳米颗粒、发光寿命长的镧系元素等。6.2 其他领域除材料学外，以下五个领域将是纳米颗粒生物传感器发展的前沿。(1) 计算机模拟。目前以计算机模拟生物大分子物质的反应的方法有待开发。在纳米颗粒生物传感器领域，需要研究结构-性质的关系、表面-配基-环境的关系、靶标物质-探针的相互作用等。Makarucha22等研究了纳米尺度上的金-硫表面相互作用，金属纳米颗粒与作为外壳的含硫单分子层以共价键连接，Hannu 等以密度泛函数理论（DFT）模拟金属-硫

33、键，得出极性CuSCH3>AgSCH3>AuSCH3的结论。密度泛函数理论基于以下假定：相互作用势和电子数决定了量子系统；波函数由薛定锷方程唯一确定；系统能量由相互作用势和电子数决定；由波函数出发可获得系统的所有相关性质。纳米颗粒-生物界面的相互作用较为复杂。Hung23等使用传统和粗粒度法两种分子动力学模拟（MD）研究纳米结构表面疏水性与蛋白质吸附作用的关系。Makarucha等以动力学模拟方法研究了细胞色素C在表面基为辛硫醇（OT）、巯基乙醇（MO）的单保护层金纳米颗粒上的吸附情况，指出了吸附中细胞色素C的活性中心和贡献残基（活性中心之外的必需基团），计算了保护层辛硫醇与巯基乙

34、醇比例不同的纳米颗粒上细胞色素C能量最低的键合方向。(2)生物-信息学预测。结构-活性关系有助于从结构预测生物活性，常用方法是构建定量分析模型。Carl24等表征与人类肺癌上皮细胞对150种金属纳米颗粒的内化和粘附，建立了多重变量模型。首先，纳米颗粒与新鲜血浆混合，血清蛋白吸附到纳米颗粒上，形成“血清蛋白指纹”；然后血清蛋白与纳米颗粒分离；用高分辨率散弹枪型液相色谱串连质谱（LC-MS）分析血清蛋白的共性和特性；另一方面，将人类肺癌上皮细胞与种金属纳米颗粒一起温育培养；一段时间后对细胞组织进行元素分析；最后以各种纳米颗粒的血清蛋白指纹为多维参数X，细胞元素分析结果为Y，建立定量分析模型。(3)

35、与分子诊断相结合。生物传感器的商品化总体上进展缓慢，只有血糖监测与眼晕这两个大规模市场仍有开发余地。其他适合的应用有基因组、蛋白质组的建设和疾病筛查、诊断，这需要高灵敏度的发光组和新的标志物。量子点条码是一种遗传生物标志物的快速筛选方法，可以检测遗传标志物、血源性病原体HIV、疟疾、乙型肝炎、丙型肝炎和梅毒等，检测花费时间不到10分钟，仅需200微升样品。开发量子点条形码的下一个步骤是有效性评估和发展自动化的测定和检测方法25。(4)集成设备。集成纳米颗粒生物传感器设备有望用于生物检测中不能扩增的蛋白质和金属离子检测。(5)细胞内传感器。生物学家希望用细胞内生物传感器探测细胞信号，如肿瘤发生发

36、展过程中可能的分子机制。健康细胞向癌细胞的转化涉及许多由细胞内信号支持的行为变化，通过了解这些路径设计特异性药物将对癌症的早期治疗提供帮助。具体的传感机理可以是使相关反应“打开”纳米颗粒生物传感器的发光等信号。在这方面化学家和生物学家进行了大量的初步探索，例如26采用激光共聚焦显微镜对吞噬了内参比pH纳米传感器的抗肿瘤药物作用的单个Hela活细胞进行成像，可以明显观察到内参比pH纳米传感器在不同抗肿瘤药物作用后的Hela细胞内的荧光成像。参考文献1. X. Michalet et al., Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and di

37、agnostics. Science 307, 538544 (2005). doi: 10.1126/science.1104274; pmid: 156813762. C. M. Tyrakowski, P. T. Snee, A primer on the synthesis, water-solubilization, and functionalization of quantum dots, their use as biological sensing agents, and present status. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 837855 (

38、2014). doi: 10.1039/ c3cp53502a; pmid: 242965513. K. E. Sapsford et al., Functionalizing nanoparticles with biological molecules: Developing chemistries that facilitate nanotechnology. Chem. Rev. 113, 19042074 (2013). doi: 10.1021/cr300143v; pmid: 234323784. P. D. Howes, S. Rana, M. M. Stevens, Plas

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